中国半导体十大研究进展候选推荐（2020-008）——拓扑保护的单向辐射导模共振态观测

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工作简介

         ——拓扑保护的单向辐射导模共振态观测

高密度、高带宽、大容量的全光互联技术在高速通信系统、数据中心、高性能计算等领域具有巨大潜力。光链路的数据传输能力受制于链路损耗，而集成器件中光的辐射是损耗的主要来源之一，只有部分光辐射能被有效利用。因此，实现光的定向辐射是降低光链路损耗，提升光子集成规模的一项关键技术。目前定向辐射大多通过分布式布拉格光栅反射镜、金属反射镜等镜面反射实现。然而，片上集成时，反射镜不仅体积大、结构复杂、加工难度高，还会引入额外的损耗和色散。因此，如何实现高辐射方向性、低插损、低色散、结构紧凑的定向辐射是光子器件乃至光子集成研究的一个关键问题。

针对上述问题，北京大学电子学系、区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室彭超副教授课题组，与麻省理工学院物理学系Marin Soljačić教授、宾夕法尼亚大学物理与天文学系甄博助理教授合作，从拓扑光子学视角出发，提出了拓扑荷分裂再合并机制，在单层光子晶体平板中实现了单向辐射导模共振态（unidirectional guided-resonance, UGR），进而实现了不依赖反射镜的定向辐射。联合课题组利用自主发展的倾斜刻蚀工艺制备了光子晶体样品，并搭建了近远场共焦测试系统，实验上观测到了高达1.6e5的单面品质因子，即27.7 dB的非对称辐射比，较传统光栅设计提高了2个数量级，从而证明了UGR态的有效性。

本工作融合拓扑光子学、非厄米光子学，是将拓扑光子学原理用于实际光子器件设计的一个研究范例，为光学系统中其他新奇拓扑现象及应用研究提供了借鉴与参考。该技术有望显著降低片上光端口的插入损耗，大幅推动高密度光互联和光子芯片技术的发展。在为实现光子辐射调控开辟新方向的同时，也为集成光学相控阵、高能效激光器等亟需定向辐射功能的光子器件拓展了可期的应用前景。

图1：a, 一维光子晶体平板并定向辐射示意图。b-d, 通过倾斜一维光子晶体平板侧壁，引入非对称性，实现拓扑荷分裂再合并机制。e, 随着侧壁倾斜角变化，下表面辐射场中拓扑荷的演化轨迹。

图2：a，动量空间中上下表面远场辐射的傅里叶散射图像。b，傅里叶图像上不同k_x点处随波长变化的散射谱。c,d, 随k_x变化的能带以及下表面单面品质因子。在UGR态附近，下表面单面品质因子高达1.6e5。

相关研究成果于2020年4月22日以《拓扑保护的单向导模共振态观测》“Observation of Topologically Enabled Unidirectional Guided Resonances”为题发表在《自然》（Nature）上。北京大学电子学系博士研究生尹雪帆为论文第一作者，彭超副教授为通讯作者。

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主要作者简介

通讯作者彭超，北京大学副教授。

2000年毕业于北京大学物理系获学士学位；

2009年毕业于北京大学电子学系获博士学位；

2009年获JSPS资助赴京都大学从事博士后研究；

2012年进入北京大学任教，历任讲师，副教授；

2017年至2018年间赴麻省理工学院任访问学者。

主要研究方向为拓扑光子学和集成光子器件，在包括Science、Nature、PRL等期刊发表论文75篇，Google scholar引用1122次。代表性成果有：

1.首次观测到非厄米体系费米弧和半整数拓扑荷，相关工作发表在Science（共同一作，ESI高引/热点）并被同期评述文章重点介绍。

2.提出了连续区束缚态的解析干涉图像，相关工作发表在Phys. Rev. Lett（唯一通讯作者）。

3. 基于拓扑荷合并实现了鲁棒的高Q导模共振态，相关工作发表在Nature （唯一通讯作者）并被同期评述文章重点介绍。

4. 关于单向辐射导模共振态观测工作发表在Nature （唯一通讯作者）；相关成果为发展光通信、新型光源、光传感、量子计算等领域亟需的关键器件奠定了基础。

主持和参与国家自然科学基金、863/973项目6项，并于2019年获基金委优青项目资助。

第一作者尹雪帆，北京大学博士研究生。

尹雪帆于2015年获北京大学电子学系理学学士学位，目前于北京大学攻读博士学位中，主要从事非厄米光子晶体、拓扑光子学研究，研究兴趣包括光子晶体辐射操控、光子晶体拓扑性质等。

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原文传递

详情请点击论文链接: https://www.nature.com/articles/s41586-020-2181-4%20

《半导体学报》简介：

《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文月刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。

2016年，JOS被ESCI收录。

2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。

“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：

《半导体学报》在创刊四十年之际，启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：[e-mail]，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。

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